“探究磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用

楊鑫

摘 要：探究安培力的方向時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到電流方向、磁場(chǎng)方向不同組合時(shí)，對(duì)應(yīng)的安培力方向，經(jīng)歸納、總結(jié)、頓悟得到左手定則，再用控制變量法在專用裝置上探究安培力的大小與I、L、B三個(gè)因素之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；安培力；真實(shí)體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-3561（2018）29-0063-01

一、前言

師：同學(xué)們，在學(xué)習(xí)今天的內(nèi)容之前，請(qǐng)大家先看屏幕上的圖片（PPT），這就是今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力——安培力。法國(guó)物理學(xué)家安培在1820年發(fā)現(xiàn)并研究了這種力，今天我們一起追尋科學(xué)家的足跡來(lái)研究安培力。

二、新課

師：研究一個(gè)力，先要研究它的方向和大小。首先我們來(lái)研究安培力的方向，實(shí)驗(yàn)是研究物理問(wèn)題最直接有效方法，請(qǐng)同學(xué)們看研究安培力方向的自制實(shí)驗(yàn)裝置。

師：這是磁體N極，這是S極。磁場(chǎng)方向豎直向下，內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌接電源正極，外側(cè)接負(fù)極，導(dǎo)體棒的電流由內(nèi)向外，我們觀察到安培力的方向向右（PPT）。保持電流方向不變，改變磁場(chǎng)向上，安培力向左（PPT）。保持磁場(chǎng)方向不變，調(diào)換正負(fù)極改變電流方向，安培力的方向又如何？——安培力向右（PPT）。通過(guò)這三次實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)：電流方向、磁場(chǎng)方向、安培力方向分處于三維空間。當(dāng)年安培創(chuàng)造性地用左手四指方向表示電流方向、穿過(guò)左掌面法線方向表示磁場(chǎng)方向，發(fā)現(xiàn)大拇指正好指向安培力方向。由此，他總結(jié)出了左手定則（PPT比畫(huà)動(dòng)作讀一遍）。（意圖：在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在情境中歸納。）

師：以上探究了安培力的方向，下面再來(lái)探究安培力的大小。安培力的大小可能和哪些因素有關(guān)？根據(jù)前面的電動(dòng)機(jī)模型，引導(dǎo)學(xué)生猜想安培力的大小可能的影響因素：a.電流的大?。↖），b.通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度（L），c.磁場(chǎng)的強(qiáng)弱有關(guān)（B）。師：這三個(gè)因素和安培力的大小有什么關(guān)系呢？同學(xué)們可以用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)探究。

三、借助實(shí)驗(yàn)，定性定量研究影響安培力大小的因素

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，定性探究影響安培力大小的因素。之后，教師可告訴學(xué)生：大家探究安培力的大小與三者的關(guān)系，但只是定性的關(guān)系，這樣的結(jié)論不夠滿意，還要進(jìn)一步探究安培力的大小與三者之間的定量關(guān)系。為此，我們可對(duì)儀器進(jìn)行升級(jí)改造，請(qǐng)看屏幕上PPT 對(duì)比圖，我們用勵(lì)磁線圈代替磁極，用中間抽頭的矩形線框代替金屬導(dǎo)體，原理圖是這樣的（PPT原理圖）。然后教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，定量研究影響安培力大小的因素。

（1）勵(lì)磁部分：由一對(duì)正對(duì)矩形勵(lì)磁線圈與電路部分組成，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小就能調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小，由畢奧薩伐爾定律可知磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與勵(lì)磁電流I2大小成正比，就可以用勵(lì)磁電流來(lái)表示磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。我們采用實(shí)驗(yàn)室自備的矩形赫姆霍茲線圈產(chǎn)生豎直方向勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)空間：長(zhǎng)20cm，寬18cm，高10cm。

（2）安培力測(cè)量指示部分：在工作線圈略高于重心處裝上轉(zhuǎn)軸，安裝在微軸承上，在線圈內(nèi)側(cè)豎直邊上裝上較長(zhǎng)指針（約30cm）。原理如下：勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，改變勵(lì)磁電流的大小可以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。根據(jù)理論可知：磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與電流大小成正比。因此，可用勵(lì)磁電流的大小表示磁場(chǎng)的大小。

工作線圈采用中間抽頭的技術(shù)，（PPT）當(dāng)接0～200兩根接線柱時(shí)，每匝導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度為20厘米，因此接入的通電導(dǎo)線有效長(zhǎng)度共計(jì)為40米；接200～600，為400匝，共計(jì)為80米；接0～600，為600匝，為120米；接200～1000，800匝，160米；0～1000，1000匝，200米。

安培力的大小由指針在橫向直線的刻度來(lái)表示。在這里用右邊的電流表輸入勵(lì)磁電流，左邊的輸入導(dǎo)體電流（分別將牌子放上）。再次采用控制變量的方法來(lái)探究B、L一定，F(xiàn)與I的關(guān)系。先觀察以下數(shù)據(jù)，再看得到的圖像，由此可以得到：安培力的大小與電流大小成正比，即F安∝I。

綜上所述，安培力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)線長(zhǎng)度L和電流I三者大小都成正比，即F ∝BIL =kBIL。與牛頓第二定律的探究一樣，規(guī)律的表達(dá)需要簡(jiǎn)潔美，在國(guó)際單位制中，可取k=1，則表達(dá)式為： F=BIL。安培力的教學(xué)是高中階段的一個(gè)難點(diǎn)，教材教參上沒(méi)有出現(xiàn)將安培力與磁場(chǎng)的關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式展示出來(lái)的情況。本課程設(shè)計(jì)解決了這個(gè)難題，不僅有利于學(xué)生更為全面地認(rèn)識(shí)結(jié)論產(chǎn)生的過(guò)程，更有利于向?qū)W生展示動(dòng)手動(dòng)腦解決問(wèn)題的態(tài)度，進(jìn)行有效的情感態(tài)度價(jià)值觀的教育。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳八路.淺談高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].數(shù)理化解題研究，2017（18）.